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SISTEMAS OPERACIONAIS

Processos e Threads

Andreza [email protected]

Plano de Aula

� Gerenciamento de Processos� Threads

� Aplicações com múltiplas Threads

� Concorrência e Compartilhamento

�Modelos de Sistemas

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Processos Vs Threads

� Processo em memória:� Pilha:

� Memória para alocação:� Dados de variáveis locais a sub-rotinas� Dados do endereço de retorno de uma sub-rotina.

� Heap: � Memória para alocação sob-demanda durante a execução

� Alocação dinâmica

� Código Objeto: � Contém as instruções binárias do código executável do processo.

� Dados: � Espaço para as variáveis do processo, declaradas como globais no programa.

� Área do usuário vs. área do sistema.

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Hello World!

Managing Memory!

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Pilha

Heap

Sistema Operacional

A

B

Espaço de

Endereçamento

Processos Vs Threads4

� Processo:� Um programa em execução

� Uma unidade de escalonamento

� Um fluxo de execução

� Um conjunto de recursos gerenciadospelo S.O.� Registradores (PC, SP, …)

� Memória

� Descritores de arquivos

� Etc…

� A troca de contexto é uma operação pesada� Deve acontecer cada vez que há decisão de escalonamento

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Pilha

Heap

Sistema

Operacional

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B


� Thread:� Linha de execução dentro de um processo

� Seqüência independente de comandos de um programa.

� Fluxo de Execução

� Compartilham recursos do processo

� Idéia simples: associar mais de um fluxo de execução a um processo:� Compartilhamento de recursos do processo (PCB - Process ControlBlock)

� O PCB deve incluir uma lista de threads!


� Processos & Threads

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Pilha

Heap

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fork()

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Pilha

Heap

Sistema

Operacional

A

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Pilha

Heap

Sistema

Operacional

A

B

pthread

create()

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Hello World!

Managing Memory!

Pilha

Heap

Sistema

Operacional

A

B


� Thread:� Vantagens:

� São processos “leves”

� Troca de contexto mais rápida;

� Tempo de criação menor

� Diminui o tempo de resposta do sistema;

� Maior facilidade para mesclar threads I/O-bound com threads CPU-bound.

� Usa eficientemente as arquiteturas multi-processadas/multicores.


� Threads:

� Principais aplicações:

� Aplicações de processamento “paralelo”

� CPU bound: ganho com várias CPU

� I/O bound: ganho sempre

� Se uma thread está bloqueada a outra pode executar

� Aplicações que acessam dispositivos secundários lentos (disco local ou remoto) e não querem ficar esperando – síncronos - pela resposta para poder continuar executando.

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� Threads:

� Principais aplicações:

� Aplicações que controlam múltiplos servidores ou múltiplos clientes.

� Melhorar funcionalidade e performance da interface gráfica.

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� Threads:

� Características:

� Herança de recursos alocados pelo processo.

� Menos custo ao SO para instanciação.

� Arquivos, Portas de Comunicação, Memória, Ponteiros

� Possuem contador de programas, ponteiro, contexto, prioridade, etc;

� Disputam, entre sí, pelo processador.

� Podem executar em paralelismo real – multiprocessamento – ou virtual –multiprogramação.

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� Threads:

� Funcionamento:

� Pode criar threads filhas (secundárias).

� Remoção automática após término da função.

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pthread

create()

pthread

create()

pthread

create()

pthread_cond_signal


� Threads:

� Funcionamento:

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� Threads:

� Diferenças de Processos Convencionais

� THREADS de um mesmo processo compartilham o mesmo Espaço de Endereçamento.

� Não existe proteção garantida entre threads de um mesmo processo

� Uma Thread pode ler, escrever, ou até mesmo eliminar uma pilha de outra Thread do mesmo processo

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� Threads:

� Diferenças de Processos Convencionais

� Threads de um mesmo processo herdam desde os arquivos abertos, temporizadores, sinais, semáforos, variáveis globais, etc.

� Uso de THREADS� Paralelismo combinado com execução serial

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� Threads:

� Metas:� Performance

� Tempo total de computação

� Criação de Threads e Troca de Contexto� OVERHEAD

� CPU-Bound� Única Thread ou Múltiplas?

� Sincronização.

� Vazão (Throughput)� Produtividade

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� Threads:

�Modelos de Alocação

�Dinâmica� Thread é alocada por demanda

� Cria, usa e descarta

� Boa escalabilidade

� Pode criar novas até o limite do SO

� Desempenho é reduzido com tempo de criação da Thread

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� Threads:


� Estática� Threads são pré-alocadas

� Aumenta o desempenho eliminando o overhead de criação antes do uso

� Baixa escalabilidade pois o número de Threads épredeterminado

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� Threads:


�Híbrido� Pré-aloca n Threads

� Se todas forem usadas, aloca mais por demanda

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� Threads:

� Modelos de Programação

� Mestre/ Trabalhador� Thread principal – Mestre

� Atribuição de tarefas às Threads Trabalhadoras

� Thread Trabalhadora sinaliza estado – Livre ou Ocupada.

� Filas – Disponibilização, pelo Mestre, de novas tarefas.

� Trabalho em Grupo

� Tarefas divididas

� Macro-Tarefas são divididas em micro-tarefas (Threads) concorrentes

� Linha de Montagem� Tipo Pipeline

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� Threads: Fluxos de Execução� Modelos de Programação

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� Threads: Fluxos de Execução� Modelos de Implementação

� Nível do Kernel

� Nível do Usuário

� Multiplexação

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� Threads: � Modelos de Implementação

� Nível do Kernel� Modelo 1:1

� (Ex. Windows 2000, XP, Vista, Unix)

� Thread visível ao processo possui uma Thread correspondente no Kernel.

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� Threads:� Modelos de Implementação

� Nível do Usuário� Modelo N:1

� Exemplo: DOS + Windows 3.11

� Threads visíveis ao processo são mapeadas como uma simples Thread no Kernel.

� Multiplexação� M threads de processo multiplexadas para N thread Kernel.

� Multiplexação de threads de usuário sobre threads de núcleo

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� Threads:� Modelos de Implementação

� Multiplexação� O programador pode decidir quantas threads de núcleo usar e quantas threads de

usuário multiplexar sobre cada uma.

� Nesse modelo cada thread de núcleo possui um conjunto de threads de usuário que aguarda por sua vez para usá-lo.

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� Threads: � Implementação no Esp. End. do usuário (N:1)

�O sistema operacional não precisa suportar threads� Por exemplo, SO monoprogramado

� Threads executam sobre o sistema de run-time� O Kernel possui uma única Thread� O run-time escalona as Threads visíveis ao programador para a Thread do Kernel

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� Threads:� Implementação no Esp. End. do usuário (N:1)

�A troca de contexto é extremamente rápida - entre threads de um mesmo processo - até que outro seja escalonado

� Escalonamento personalizado�Melhor escalabilidade

� Facilidade de alocação de espaço para tabelas e pilhas no espaço do usuário

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� Threads:� Implementação no Esp. End. do usuário (N:1)

� Problemas no bloqueio de threads

� Problemas na utilização do tempo do processador

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� Threads:

� Implementação no Núcleo (1:1)

� Não é necessário um sistema de run-time

� Uma tabela de threads por processo

� Troca de contexto pode ser feita entre threads de processos diferentes

� Bloqueio de threads simplificado

� Execução preemptiva

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(a) N: 1 (b) 1:1, com um contexto de processo

(c) M:N (d) Múltiplos contextos de processo


� Threads: Exemplos de Utilização

� Implementação de Servidor de Arquivos.

� Thread única

� Requisições atendidas em série

� Baixo Throughput

� Múltiplas Threads

� Modelo Mestre/Trabalhador

� O Mestre recebe as requisições dos clientes e as encaminha para as Threads de trabalho

� Cada Thread pode atender a uma requisição diferente

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� Threads: Exemplos de Utilização

� Implementação de Servidor de Arquivos.

� Múltiplas Threads

� Várias Threads podem executar ao mesmo tempo, compartilhando o processador

� Enquanto uma thread está bloqueada, outra thread pode ser posta para executar

� Executam em paralelo em sistemas multiprocessados

� Todas as Threads compartilham uma mesma cache de arquivo

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� Sincronização de Threads

� Sincronização via sinais ou semáforos

� Thread fica bloqueada esperando sinais

� O bloqueio da Thread – caso essa não seja a única do processo – NÃO bloqueia o processo

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� Sincronização de Threads

�Modelo Produtor-Consumidor

� Paralelismo Inerente

� Compartilhamento de recurso

� Buffer de mensagens

� Utilização de Threads maximiza a utilização do Buffer

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� Produtor/Consumidor

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Processo

Thread

Thread

Buffer

In Out


� Threads: Gerência de Threads

� Threads Estáticas

� O número de threads é definido quando o programa é escrito ou compilado

� Uma pilha de tamanho fixo é associada a cada thread

� Menor flexibilidade

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� Threads: Gerência de Threads

� Threads Dinâmicas

� Threads criadas e destruídas em tempo de execução

� Alocação por demanda

� O tamanho da pilha é passado como parâmetro para a chamada de sistema de criação de thread

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� Compartilhamento de Dados

�Área de dados global do Processo é compartilhada por suas Threads

� Dados armazenados num espaço de endereçamento comum

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